1、2023-1-61第二章第二章 电压测量与电压表电压测量与电压表 第一节第一节 概述概述一、电压测量的基本要求一、电压测量的基本要求（一）频率范围宽（二）量程宽（三）输入阻抗高（四）抗干扰能力强（五）测量精确度高（六）被测电压波形种类多二、交流电压的表征二、交流电压的表征（一）平均值 平均值又称为均值，指波形中的直流成分，因此纯交流电压的平均值为0。一般所指的交流电压的平均值特指为交流电压经过均值检波（即整流）后波形的平均值，分为半波平均值和全波平均值两种。2023-1-62TTTttudttuTUTttudttuTU0210210,0)()(10,0)()(10 )(10TtdttuTUT2
2、1U21UU22121UUU式中，、分别为正、负半波平均值；为全波平均值；T为被测电压u（t）的周期。对于纯交流电压 （二）峰值交流电压的峰值是指交流电压在一个周期内（或一段时间内）以零电平为参考基准的最大瞬时值，记为（或UP），分为正峰值（或UP+）和负峰值（或UP-）。对于双极性对称的纯交流电压，如纯正弦波，数值上存在如下关系：UUUUm2023-1-63表征交流电压的参量还经常用到谷值和峰峰值UP-P，如图21所示，注意图中的平均值为未经均值检波的波形平均值。（图21见课本P16）（三）有效值U交流电压的有效值U，即均方根值。数学计算式为：交流电压的大小通常指的是它的有效值。（四）波形因
3、数KF1.定义：（五）波峰因数KP1.定义：UUKFUUKP表21 常见波形的波形因数和波峰因数2023-1-64三、电子电压表的分类三、电子电压表的分类按测量结果的显示方式分为模拟式电压表和数字式电压表。（一）模拟式电压表模拟式电压表即指针式电压表，是用磁电式直流电流表（表头）作为指示器，有直流电压表和交流电压表之分。1.直流电压表是交流电压表构成的基础，用于测量直流电压。2.交流电压表用来测量交流电压，测量时应先将交流变成直流，再按照测量直流电压的方法进行测量，其核心为交直流转换器AC/DC。交直流转换器AC/DC大多利用检波器来实现。检波器按其响应特性分为均值、峰值和有效值检波器三种。交
4、流电压表则相应地分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表，应用比较广泛的是均值电压表。3.模拟式电流电压表有放大检波式、检波放大式和外差式等三种不同的结构形式。（1）检波放大式电压表结构形式如图22a所示，被测电压的频率范围很宽，其电压灵敏度较低。（2）放大检波式电压表如图22b所示，被测电压的频率范围较窄，一般为20HZ10MHZ，电压灵敏度比检波放大式要高。2023-1-65（3）外差式电压表又称选频电压表或测量接收机，其组成框图如图23所示。其测量电压频率范围可从100kHZ到数百兆赫兹，电压灵敏度很高，属于高频微伏表。（二）数字式电压表DVM数字式电压表DVM是利用A/D（模/数）转换
5、器将模拟量转换成相应的数字量，并以十进制数字形式显示出被测电压值的一种电压测量仪器。最基本的数字电压表是直流数字电压表。直流数字电压表配上交直流转换器即构成交流数字电压表。如在直流数字电压表的基础上，配上交流电压/直流电压（AC/DC）转换器、电流/直流电压（I/V）转换器和电阻/直流电压（R/V）转换器，就构成数字式万用表。直流数字电压表的核心是A/D转换器。A/D转换器分为积分式、比较式和复合式三种类型，直流数字电压表则相应地分为积分式、比较式和复合式三种类型。数字电压表由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三大部分组成，如图24所示。按照测量电压频率范围的不同，电子电压表还可分为超低频电压表
6、、低频电压表、视频电压表、高频或射频电压表和超高频电压表。2023-1-66第二节第二节 电流、电压测量基本方法电流、电压测量基本方法一、电流的测量一、电流的测量电流有直流电流和交流电流之分，此处仅介绍直流电流的测量。磁电式直流电流表（表头）可以直接作为直流电流表使用，使用时应与被测电路相串联。表头允许通过的电流很小，如果电流过大，将损坏表头，通常用作检流计、微安表和小量程毫安表。为了扩大表头的电流量程，常采用与表头并联电阻的方法，此并联电阻称为分流电阻或分流器。图25a、b所示分别为开路式分流器和闭路式环行分流器。改变分流器的大小可以改变电流表的量程，r为电流表表头内阻。图25 多量程电流表
7、电路连接示意图（见课本P20）开路式分流器量程转换开关的接触电阻对分流器电阻值的影响很大，尤其是对大电流量程，严重时会烧毁仪表，所以很少采用。目前，大多数多量程电流表采用环形分流器。测量直流电流时，可选用万用表等电工仪表。2023-1-67测量电流时，电流表不能并接于被测电路两端，而应将电流表串接入被测电路中。测量直流电流时，还应注意使被测电流经正表笔（“+”端）流入电流表，经负表笔（“-”端）流出，否则，有可能损坏电流表。二、电压的测量二、电压的测量电压的测量分为直流电压和交流电压的测量，此处仅介绍直流电压的测量。磁电式电流表指针偏转角度与被测电流I成正比，当它具有一定内阻时，偏转角度与其两
8、端的电压也成正比，它可以用来测量电压。2023-1-68第三节 模拟式电压表一、复习一、复习 二、均值电压表二、均值电压表 三、峰值电压表三、峰值电压表四、有效值电压表四、有效值电压表五、应用实例五、应用实例2023-1-69复习v 1、电压测量的重要性v 电压测量是非常重要的测量。因为v 电压是基本电能量参数（电压、电流、功率等）之一；v 电压可派生其它量，如幅频特性、调幅特性、失真度，灵敏度等；v 自控系统中的反馈量和控制量大都是用电压量；v 非电量检测通常将非电量转换成电压量来测量；v 电气设备和电子仪器，大多以电压来指示。2023-1-610v 2、电压的特点 v分类：性质上分直流、交
9、流电压（包括所有非正弦电压）两种；v 应用上分工频、电子电路电压。v工频电压特点：强电，电压范围大，波形、频率等规则。v电子电路电压特点：v （1）频率范围宽 从直流到上GHz。v （2）电压范围广 nV级到MV级，常见微伏级电压。v （3）波形多种多样 除正弦波外，大量的是非正弦波，且交直并存，甚至串入噪声干扰。v （4）电子电路的等效阻抗一般都高，有的达兆欧级。v 2023-1-611 3、对电压测量的基本要求v 针对电压特点，主要有以下几方面要求：v （1）有足够宽的频率范围。v （2）有足够宽的电压测量范围。v （3）有足够高的测量准确度。直流电压测量准确度最高，目前可达 ，甚至更高。
10、交流电压测量因受频率、波形和分布参数v等的影响，测量准确度不高。v （4）有足够高的输入阻抗（因电子电路等效阻抗高）。目前模拟电压表的输入阻抗在M级，数字电压表的输入阻抗达G级，甚至可达数千G。v （5）应具有高的抗干扰能力。测微小电压需高灵敏度，则干扰影响大。v 此外，还应要求高的测量速度和高的自动化程度，以实现智能测试和自动测试。8102023-1-612v 4、电压测量方法v 要根据被测电压的不同和测量的具体要求及客观条件的限制，合理选择测量方法。归结起来有以下几种：v 1.电工仪表测量法v 电工仪表主要是指针式仪表，如磁电系、电动系、电磁系等，其中磁电系仪表只能测直流量。工程应用普遍。
11、v 2.电子电压表测量法v 电子电压表由电子技术制成的，属电子仪器类，是模拟式电压表。电子电路交流电压测量中广为应用。v 据交流转换成直流原理的不同分：v （1）公式法：按正弦交流电压有效值公式制成有效值电压表。主要是频带窄、准确度低。v （2）热电转换法：利用热电偶转换制成有效值电压表。优点是没2023-1-613v有波形误差，但有热惯性、频带不宽、维修不便等缺点。v （3）检波法：将交流整流成直流制成电压表。v 据整流的不同有均值检波、峰值检波、有效值检波三种。v 据整流器位置的不同有“检波放大”、“放大检波”式电压表。v 3.数字电压表测量法v 将模拟量“模/数（A/D）”转换成数字量，
12、再计数显示。测交流电压，还须先“交流/直流（AC/DC）”转换。v 严格讲，数字电压表属电子电压表，但因数字电路在整个仪器中占重要地位，人们往往直呼数字电压表。v 4.示波器测量法v 见波形测试技术中的示波器测电压。2023-1-614 5、电压测量中的误差问题v 电压测量是接触性测量，除仪器仪表误差外，负载效应必然要产生方法误差。图示测直流电动势Eo，直流电压表内阻为 ，测量结果为 v v误差为v v注意：式中“”表明测量值比实际值小；电压表的输入阻抗越高，测量误差就越小。VRV VEoEoRvRv+-RoRo2023-1-615v 1、交流电压的表征 v峰值VPv周期性的交流电压u(t)，
13、在一个周期内所出现的最大瞬时值，称为该交流电压的峰值，以VP表示。峰值有正峰值（VP+）和负峰值（VP-）之分，其几何意义如图所示。v峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值VP+和负峰值VP-之分。正峰值与负峰值之差称为峰-峰值Vp-p。v常用的还有振幅Vm，它是以直流电压为参考电平计算的。当电压中包含直流成分时，VP与Vm 是不相同的，只有纯交流电压才有VPVm。2023-1-616平均值v平均值在数学上的定义为 根据以上定义若包含直流成分，则平均值等于直流分量；根据以上定义若包含直流成分，则平均值等于直流分量；若仅含有交流成分，则平均值等于零。这样对纯粹的交若仅含有交流成分，则平均值等于零
14、。这样对纯粹的交流电压来说，其平均值为零，将无法用平均值来表征它流电压来说，其平均值为零，将无法用平均值来表征它的大小。将交流电压通过整流器变换成单一方向的脉动的大小。将交流电压通过整流器变换成单一方向的脉动电压后电压后(相当于数学上的求平均值相当于数学上的求平均值),),再求平均再求平均,则不为零则不为零,且该平均值反映了原交流信号的大小且该平均值反映了原交流信号的大小.故交流电压的平故交流电压的平均值通常是指检波或整流后的平均值。均值通常是指检波或整流后的平均值。TdttuTU0)(12023-1-6172023-1-618v交流电压的有效值U定义为一个交流电压和一个直流电压分别加在同一纯
15、电阻上，一个交流电压和一个直流电压分别加在同一纯电阻上，若它们在相同的时间内产生的热量相等，则交流电压若它们在相同的时间内产生的热量相等，则交流电压的有效值等于该直流电压值的有效值等于该直流电压值TdttuTU02)(12023-1-619 v2.三个参数间的关系v 三参数间关系用波形因数（或系数）和波峰因数来表示。v 波形因数KF：指电压有效值与平均值的比值，即v v 波峰因数KP：指电压峰值与有效值的比值，即v 正弦波及常见非正弦波电压的KF、KP值见表所示。UUKFUUKPP2023-1-620v 二、均值电压表v 低频电压指1MHz以下的电压。用平均值电压表（平均值检波）来测量。v 1
16、.均值检波原理RUdtRtuTIIt00|)(|12023-1-621v 2.均值电压表v组成：一般为“放大检波”式v框图：可变量可变量程程分压器分压器宽带交流放大器检波器u(t)被测电压进行放大，然后检波，最后由表头指示被测电压进行放大，然后检波，最后由表头指示工作频率范围主要受放大器带宽的限制工作频率范围主要受放大器带宽的限制灵敏度受放大器噪声的限制灵敏度受放大器噪声的限制主要用于低频和视频信号的测量主要用于低频和视频信号的测量2023-1-622v 3.均值表的刻度及误差v （1）刻度v 按正弦有效值刻度，即U=1.11 （将平均值扩大1.11倍）。v原因：正弦电压有效值具有普遍意义；驱
17、动微安表的电流I正比于被测电压平均值。v （2）误差v波形误差：测非正弦波电压（如三角波、方波等电压），示值存在波形误差。测失真的正弦波电压，误差取决于各次谐波的幅度、相位。分析可知，误差随谐波初相角周期性变化，0或180时最大；而奇次谐波比偶次谐波的误差大。（课本P23）v表头误差（等级决定）。v 此外，检波二极管老化或变值以及超频率范围的误差等。U2023-1-623v 4.波形换算（波形误差消除）v 均值表测正弦电压，示值即为结果；测非正弦波电压产生波形误差，须通过波形换算来消除。v方法：先将测量示值除以1.11，求得被测电压的平均值，然后按被测电压的KF或KP值来求出被测电压的有效值或
18、峰值。v例 用按正弦有效值刻度的均值表测三角波电压，得示值为1V，求被测电压的有效值。v 被测三角波电压平均值为v v因三角波电压KF=1.15，则三角波电压的有效值为：VUU9.011.1111.1aVU04.115.19.02023-1-624v练习：学生参照课本P22例2-1 v 1、求出上题的三角波的峰值、正弦波、三角波的峰值、有效值、平均值？v 2、若直接把他的读数作为三角波、方波的有效值，试计算波形误差v 3、结合实验三，分析测量交流电压两表数据，得出结论v 2023-1-625 三、峰值电压表v 高频电压用峰值电压表测量。峰值检波器输出的支流电压与输入交流电压的峰值近似相等v 1
19、.峰值检波原理v电路：有“串联式”和“并联式”两种。minmaxTCRTRC2023-1-626v 可见：充电快、放电慢，电容端压的平均值近似峰值电压，即v注意：二极管工作在丙类(稳态下只有 时D 才导通)。v 并联峰值检波，原理同串联式，R上的电压极性相反。优点：具有隔直作用，只测电压的交流部分（当含直流分量时）。v 倍压检波，并联式与串联式的组合，可构成“峰峰”值电压表。v 2.峰值电压表v组成：“检波放大”式。因检波电路简单，可置于探头内，从而 消除高频下探头引线分布参数的影响。PCRUUUxucu2023-1-627v原理框图：222023-1-628v （2）误差v波形误差：测非正弦
20、波电压（如三角波、方波等电压），示值存在波形误差。v理论误差：充放电时间常数的影响，总有 UP，分析有3/2)(2.2RRCU2023-1-629v 4.波形换算（波形误差消除）v 峰值表测正弦波电压，示值即为测量结果；测非正弦波电压，须进行波形换算。v方法：将测量示值乘 倍，得被测电压的峰值后，再按被测电压的KF、KP值来求其平均值和有效值。v例 用峰值表测方波电压，得示值为5 V，求被测测量方波电压的平均值。v被测方波电压的峰值为2VUUP1.7522aVUUP1.72023-1-630v练习：v1、若上题中的改为测方波、三角波、正弦波的示值为 5Vv 求：其三种波的有效值、平均值、峰值v
21、2、若把示值作为方波、三角波的有效值，试计算其误差2023-1-631v 有效值电压表主要有三种原理。v 1.检波式（检波器的输出与被测电压的有效值成正比）v 二极管均值检波原理。v电路：四、有效值电压表四、有效值电压表2023-1-632v式中的第一项叫起始电流（静态工作电流），电路上可以抵消掉。抵消后直流电流表的电流为2xKUI 20202022)(xxxKuuKEKEuEKKui2020021xxTKUUKEKEidtTI220 xKUKEI2023-1-633vAB：加热丝；vM：热电偶，它由两种不同的导体组成，其中与AB耦合端C叫热端，而D、E端为冷端。vUx：被测电压。2023-1
22、-634v 平方律不利于刻度和读数（误差大），须线性化。如DA-24型有效值电压表。v原理电路：2xxKUE2023-1-635v M2输出热电势v 放大器增益足够大时，E=Ex-Ef0。v则：Ex=Ef，即v可见：输出直流电压Uo与Ux呈线性关系，实现了线性化。v注意：M1与M2同型号，二者输出反极性串联，则环温对它们的影响互相抵消，提高热稳定性。v 缺点：有热惯性，稳定后才能读数；易受温度影响；高频时因分布参数及加热丝趋肤效应的影响，易产生误差。0UUx20KUEf2023-1-636v 3.计算型有效值电压表v 由模拟计算电路来实现有效值电压的测量，直接完成运算TxxdttuTU02)(
23、12023-1-637vDA-16型晶体管毫伏表v 一、使用方法及注意事项 五、应用实例1)1)机械调零机械调零 通电前先检查机械零点通电前先检查机械零点,如不准确则要调节表头如不准确则要调节表头 的机械调零螺丝的机械调零螺丝,使表针准确指在零位使表针准确指在零位.2)2)零点校准零点校准 将输入端短路将输入端短路,接通电源后调节接通电源后调节 调零调零 旋钮旋钮,使指针指零使指针指零.3)3)量程选择量程选择 按被没电压大小选择合适的量程按被没电压大小选择合适的量程.若事先不知道被没若事先不知道被没 电压的大小电压的大小,可先从大量程开始可先从大量程开始,再逐步减小量程再逐步减小量程,直直
24、至指针在满刻度的至指针在满刻度的2/32/3以上区域以上区域.4)4)拆接线顺序拆接线顺序 由于电子电压表灵敏度较高由于电子电压表灵敏度较高,测量时应先接入与机壳测量时应先接入与机壳 相连的输入线相连的输入线,后接入另一输入线后接入另一输入线.测量结束时测量结束时,应按应按 相反顺序取下连接线相反顺序取下连接线.否则否则,外界的感应信号可能使外界的感应信号可能使 仪表指针偏转超过量限仪表指针偏转超过量限,而损坏表头而损坏表头.测量时测量时,接地点接地点 应可靠接触应可靠接触.2023-1-638v5)测量音频电压 本仪表还可测量各种低放电路的信号电压.v6)测量电网电压 可用一般导线作为测量连
25、接线.量程开关置于300V档.测量时应先用电笔区分出零线和相线,使与仪表外壳相连的输入端接电源的零线,仪表的另一输入端接电源相线.v7)测量电平值 若被测点的阻抗为600欧,则可把测量连接线直接并接于被测点两端,被测点的实际电平U实按下式求得:U实=U指+U表(dB)v式中 U实-仪表量程开关的分贝指示值;U表-仪表的分贝指示值.v若被测点阻抗为150欧,则被测点的实际电平为:U实=U指+U表+6.07(dB)v若被点为开路,则应在该终端并接600欧或150欧的无感电阻,其实际电平值按以上两式选择计算.第四节第四节 数字电压表数字电压表 一、复习一、复习二、数字电压表的主要技术指标二、数字电压
26、表的主要技术指标三、三、A/D转换原理转换原理四、直流电压表的实例四、直流电压表的实例2023-1-640一、复习一、复习1、均值电压表（低频）先对被测电压进行放大，然后检波，最后由表头指示。刻度方法刻度方法：2、蜂值电压表（高频）刻度方法刻度方法：222023-1-641有效值电压表有效值电压表2023-1-642数字式电压表（数字式电压表（DVM）利用模数（利用模数（A/D）转换器，将被测的模拟电压转换成对应的数字量，）转换器，将被测的模拟电压转换成对应的数字量，在用电子计数器对数字量进行计数，并以十进制数字形式显示测量结果在用电子计数器对数字量进行计数，并以十进制数字形式显示测量结果特点
27、：测量准确度高、测量速度快、抗干扰能力强、自动化程度高、便于读数特点：测量准确度高、测量速度快、抗干扰能力强、自动化程度高、便于读数核心：模数（核心：模数（A/D）转换原理）转换原理二、主要技术指标二、主要技术指标 1、测量范围、测量范围（1）量程）量程：包括基本量程和扩展量程包括基本量程和扩展量程（2）显示位数：）显示位数：显示位数包括完整显示位和不完整显示位显示位数包括完整显示位和不完整显示位,显示位数越多显示位数越多,测量范围越宽。测量范围越宽。（3）完整显示位）完整显示位（4）超量程能力：）超量程能力：指电压表在某量程上应用时，其显示数值超过该量程，指电压表在某量程上应用时，其显示数值
28、超过该量程，则该表具有超量程能力。具有超量程能力的表测量范围宽则该表具有超量程能力。具有超量程能力的表测量范围宽2023-1-6432、分辨力：电压表在量程上末位跳变一个字所对、分辨力：电压表在量程上末位跳变一个字所对 应的输入电压大小应的输入电压大小3、测量误差、测量误差U=（a%UX+b%Um）或者或者U=a%UXn字字在课本上找出该式子：并用笔画出个部分表示的含义课堂练习：课堂练习：参照例题参照例题2-3 完成课后第完成课后第10题题4、输入电阻和输入偏置电流、输入电阻和输入偏置电流5、抗干扰能力、抗干扰能力6、测量速度、测量速度2023-1-644工作过程：准备、取样、比较三个阶段工作
29、过程：准备、取样、比较三个阶段 在同一个测量周期内，首先对被测直流电压在同一个测量周期内，首先对被测直流电压U在限定时间内在限定时间内进行定时积分，进行定时积分，然后切换积分器的输入电压，在对然后切换积分器的输入电压，在对UREF电压进电压进行定值反向积分，直到积分器的输出等于零为止行定值反向积分，直到积分器的输出等于零为止 工作原理工作原理：输入的直流电压与基准电压的比较通过两次积分过程 转换为两个时间间隔的比较，并由此将模拟电压转换 为与其输入电压的平均值成正比的时间间隔，时间间隔 的大小则由时钟脉冲计数器来测量 特点特点：被测电压仅与T2和T1的比值有关 RC元件的数值精度与测量结果无关
30、 有很强的抑制能力2023-1-6452、逐次比较式、逐次比较式A/D转换器转换器2023-1-646工作过程：与天平称物体的质量类似，把被测电压与一个不断递减工作过程：与天平称物体的质量类似，把被测电压与一个不断递减的基准电压进行反复比较，当被测电压低于基准电压时，将基准电的基准电压进行反复比较，当被测电压低于基准电压时，将基准电压舍去；反之，当被测电压高于基准电压时，存入该基准电压。被压舍去；反之，当被测电压高于基准电压时，存入该基准电压。被测电压与不断递减的基准电压比较完毕后，寄存器中的基准电压的测电压与不断递减的基准电压比较完毕后，寄存器中的基准电压的总和即为被测电压或逼近于被测电压总和即为被测电压或逼近于被测电压2023-1-647逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明转换器的工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明 若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx=13克，克，可以用下表步骤来秤量：可以用下表步骤来秤量：顺序顺序 砝码重砝码重 比较判断比较判断 暂时结果暂时结果 1、8g 8g13g保留保留 8g 2、8+4g 12g13g撤消撤消 12g 4、8+4+1g 13g=13g保留保留 13g
